CN106232983A - 水力机械、优选水力涡轮及包括此涡轮的用于转换水能的设施 - Google Patents

水力机械、优选水力涡轮及包括此涡轮的用于转换水能的设施 Download PDF

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Abstract

水力机械包括适于在水落差高度下旋转的转子、带有可调整的导向叶片(120)的分配器，以及用以打开导向叶片的第一电子地引导的伺服马达(30)。第一伺服马达(30)不能将导向叶片(120)进一步打开至预定位置。该机械包括第二伺服马达(36)，其由水落差高度机械地引导且适于在低水落差情况下将导向叶片进一步打开至预定位置。优选地，水力机械为涡轮。

Description

水力机械、优选水力涡轮及包括此涡轮的用于转换水能的 设施
本发明涉及一种水力机械，优选水力涡轮。本发明还涉及一种包括此涡轮的用于将水能转换成机械能或电能的设施。
具体而言，本发明可应用于包括带有可调整的导向叶片的分配器的涡轮，诸如双重调节涡轮。可调整的导向叶片大体上称为导向导叶或旋闸。例如，本发明可在灯泡式涡轮和螺旋桨涡轮上实施。作为备选，在某些水落差情况下，本发明可应用于其它水力机械。
在水能转换的技术领域中，已知给涡轮配备具有可调整的导向叶片的分配器，以便改变围绕涡轮的转子流通的水的流率。在实践中，导向叶片全部借助于闸操作的环(也称为调节环，其链接到各个导向叶片的控制杆)同时转动。
伺服马达通常允许闸操作的环沿一个方向枢转，而配重(当涡轮具有水平旋转轴线时)或相同的伺服马达允许闸操作的环沿另一方向枢转。伺服马达适于打开导向叶片，以便增大围绕转子流通的水的流率。相同的伺服马达或配重容许关闭导向叶片，从而减小围绕转子流通的水的流率。在实践中，该伺服马达通过调节单元电子地枢转，调节单元收集涡轮上游和下游的压力，以及其它参数，诸如功率、转速……以此方式，调节单元命令伺服马达随水落差高度(也称为水头)、设施的功率和一些情况下单元的速度(孤立网络)的变化来调整导向叶片的定向。
已知的是，流通穿过涡轮的水流将动量施加到各个导向叶片上。随导向叶片的打开程度变化，该动量有助于打开或关闭导向叶片。更精确地说，存在界线(barrier)，在该处，动量改变方向。当导向叶片进一步打开至该界线时，动量相反以关闭导向叶片。
涡轮的转子机械地联接到发电机，发电机作用为制动器以将适当频率下的电力输送至电力网络。
当设计水电站时，重要的是考虑可在操作中出现的功能故障。一个功能故障是涡轮与主电网断开时。这例如在电路断路器意外打开时发生。结果，发电机不再受到抵抗转矩，且通常包括由轴机械地连接的涡轮转子和发电机转动体的单元的旋转部分加速。这称为"超速"，直到速度在失控速度下稳定。
然后，不可避免通过关闭分配器来停止水穿过涡轮的流通。在实践中，一旦单元速度增大或发电机停止发电，则分配器开始关闭，且不会达到失控。然而，在阻止控制系统检测这些现象的事故情况下，所述控制系统可发送错误信息，打开分配器而非关闭。在此情况下，涡轮可达到导向导叶可受到高打开水力矩或对于单元的安全性危险的情况。
用来关闭分配器的伺服马达或配重因而尺寸过大且很昂贵。一些设施配备有上游或下游的阀或闸，其能够切断涡轮转子内的流且使单元停止，但其它的必须由分配器单独停止。
本发明旨在通过提出一种水力机械来解决这些缺陷，该水力机械具有较轻配重或不太强大的伺服马达，且改善保持在单元性能较安全的情况中的机会。
为此，本发明涉及一种水力机械，优选水力涡轮，其包括适于在水落差高度下旋转的转子、带有可调整的导向叶片的分配器，以及用以打开导向叶片的第一电子地引导的伺服马达。根据本发明，第一伺服马达不能将导向叶片进一步打开至预定位置，且水力机械包括第二伺服马达，其由水落差高度机械地引导且适于在低水落差情况下将导向叶片进一步打开至预定位置。
由于本发明，第一伺服马达不可将导向叶片进一步打开至预定位置，超过该位置，需要重要的配重来抗衡水流的强度。因此，水力机械的"超速"或控制系统的故障不可导致在危险区域中(其中难以在高水落差情况下关闭分配器)打开导向叶片。然而，导向叶片可进一步打开至预定位置以在较低水落差情况下获得最大流率。此进一步打开由第二伺服马达执行，第二伺服马达独立于控制系统作用且由水落差高度引导。
有利但非强制性的本发明的其它方面在下文中指出：
-第二伺服马达由水力机械上游的压力与水力机械下游的压力之间的压差引导。
-第二伺服马达供有在水力机械上游和下游获得的水。
-第二伺服马达利用在取决于水力机械上游的压力与水力机械下游的压力之间的压差的压力下的油喷射操作。
-第二伺服马达构造成在水力机械上游的压力与水力机械下游的压力之间的压差降到低于某一值时将导向叶片进一步打开至预定位置。
-第一伺服马达和第二伺服马达为液压千斤顶。
-第一伺服马达布置在第二伺服马达上方且包括与第二伺服马达的活塞整体结合地平移的活塞本体。
-第二伺服马达包括供有油的室，该油在取决于水力机械上游的压力与水力机械下游的压力之间的压差的压力下。
-水力机械包括控制器，其适于在水力机械上游的压力与水力机械下游的压力之间的压差降到低于某一值时增大在第二伺服马达的室中喷射的油的压力。
-第二伺服马达包括第一室和第二室，且第一室供有在水力机械下游获得的水，而第二室供有在水力机械上游获得的水。
-第二伺服马达包括用于推动其活塞的器件，其尺寸确定成推动活塞，且在水力机械上游的压力与水力机械下游的压力之间的压差降到低于某一值时将导向叶片进一步打开至预定位置。
-用于推动第二伺服马达的活塞的器件包括弹簧。
-导向叶片在预定位置处的打开程度低于或等于在失控期间由水施加到导向叶片上的动量变得高于正常操作期间获得的最大打开转矩所处的位置的打开程度。
-在预定位置处，流通穿过水力机械的水仍有助于关闭导向叶片。
-水力机械包括用于关闭导向叶片的配重。
本发明还涉及一种用于将水能转换成机械能或电能的设施，其包括如前文限定的水力机械。
现在将对应于附图阐释本发明，且作为示范性示例，而不限制本发明的目的。在附图中：
-图1为包括根据本发明的水力机械的灯泡式涡轮类型的用于转换水能的设施的纵截面，
-图2为用于控制图1的涡轮的导向叶片的机构的放大视图，
-图3为区段，示出控制导向叶片的位置的闸操作的环的一半、打开导向叶片的两个伺服马达，以及关闭导向叶片的配重，且
-图4为显示图3的两个伺服马达在低水落差构造和高水落差构造中的配置。
图1示出了用于将水能转换成电能的设施2。设施2包括具体结构4，其限定水流通的通道C1。水力机械(更准确地说是灯泡式涡轮6)设置在通道C1内。灯泡式涡轮6适于在来自未显示的储器的强制水流F的作用下围绕水平旋转轴线X6旋转。该储器可由跨过水路(诸如江河)建造的未显示的水坝形成。
灯泡式涡轮6适于低水落差和高流率情况。其包括灯泡式壳8，壳由灯泡式架10和固定导叶11支撑在通道C1内。灯泡式涡轮6包括转子14，其包括多个转子叶片140。转子叶片140具有可调整的桨距。转子14联接至未显示的发电机，发电机设置在灯泡式壳8内且将交变电压输送至未显示的电力网。发电机用作转子14上的制动器，以便输送一定频率下的电压。
灯泡式涡轮6还包括分配器12，其布置在转子叶片140上游。分配器12构造成改变在转子叶片140之间流通的水的流率，以便控制由转子14输送的功率。引导分配器12在高水落差情况下减小流率，且在低水落差情况下获得最大流率，以便转子14关于发电机的能力输送最大功率，而与水头无关。
分配器12包括多个导向叶片120，其围绕灯泡式壳8均匀地分布且分别具有可调整的桨距。因此，灯泡式涡轮6为双重调节的涡轮，因为有可能调整转子叶片140的定向和导向叶片120的定向两者。
导向叶片120可分别围绕轴线Y120在关闭位置(导向叶片120大致垂直于水流F且阻止分配器12下游的水的流通)与打开位置(导向叶片120定向成大致平行于水流F且将很低的阻力施加到水的环流)之间枢转。因此，打开位置中的流率最大。
在本文献中，打开导向叶片120的动作在于将导向叶片120定向成以便将它们设置成更平行于水流方向F。相反，关闭导向叶片120的动作在于将导向叶片120定向成以便将它们设置成更垂直于水流方向F。
如图2和图3上所示，灯泡式涡轮6包括闸操作的环26，以使所有导向叶片120同时转动。导向叶片120分别布置在径向外盖16与径向内盖18之间。内盖18固定地附接至灯泡式壳8。闸操作的环26在重叠于旋转轴线X6上的旋转轴线X26上居中。闸操作的环26围绕上盖16可旋转地安装，且包括链接到各个叶片120的控制杆22的联接部分260。更准确地说，各个控制杆22连接到耳轴20，耳轴20固定地附接到对应的叶片120。连杆24确保闸操作的环26的部分260与导向叶片120的控制杆22的连接。连杆24在其两个末端处围绕轴线Y22和Y24铰接。这些轴线Y22和Y24通常平行于导向叶片120的转动轴线Y120，但可与分配器12的中心共点。
控制杆22和连杆24的纵向方向未包含在图2的平面中。这是杆22和杆24在图2上纵向切开显示的原因。
在实践中，闸操作的环26围绕轴线X26旋转大约15°允许导向叶片120围绕其相应的轴线Y120枢转超过大约85°。
如图3上所示，闸操作的环26使用两个伺服马达30和36以及配重28操作。
在本文献中，伺服马达为千斤顶，优选液压千斤顶。伺服马达30和36能够抵抗等于配重28的重量的静态力和关闭的液压趋势。
闸操作的环26包括曲柄262，配重28以及伺服马达30和36作用于曲柄262上。伺服马达30和36借助于连杆32链接到曲柄262。连杆32在其两个末端处围绕平行于闸操作的环26的旋转轴线X26的两条轴线X322和X324铰接。
在本文献中，方向"向上"和"向下"必须关于图1至图4的构造来理解。
如图3和图4上所示，伺服马达30和36沿垂直轴线Z300相继地布置。伺服马达30设置在伺服马达36上方。伺服马达30包括本体302，活塞300设置在本体内。活塞300可在由本体302限定的推力室V30的压力下沿轴线Z300移动。在实践中，推力室V30利用油加压。活塞300装固到活塞杆301，活塞杆301向上延伸且链接到连杆32的下端，其为围绕轴线X322铰接的末端。
油在室V30中喷射所处的压力由未显示的调节单元调节。该调节单元随单元操作状态变化来改变室V30中喷射的油的压力。更准确地说，第一伺服马达30的推力室V30中的油喷射压力被电子地控制，以便使单元供应电网所需要的电力而与水头无关。此转速取决于待输送的电压的频率。
调节单元被电子地控制且借助于传感器收集涡轮6的上游和下游的压力值。以此方式，调节单元可通过计算在涡轮6上游测得的压力P1与涡轮6下游测得的压力P2之间的压差∆P来推导出水头。
在操作中，活塞300和活塞杆301通过室V30的加压向上推动以使闸操作的环26围绕轴线X26枢转。更确切地说，活塞杆301的向上移位F1表示闸操作的环26在图3中的截面中沿顺时针方向枢转，如由箭头R1显示的那样。相反，配重28施加力F2，其趋于使闸操作的环26在图3的截面中沿反时针方向枢转，如由箭头R2显示的那样。调节单元引导伺服马达30调整导向叶片120的定向。
伺服马达30具有有限的打开范围，这意味着活塞300不可进一步推至某一极限。实际上，如图4所示，活塞30的移位由本体302的上壁限制。结果，伺服马达30不可将导向叶片120进一步打开至预定位置，其对应于导向叶片120的最大开启的大约80%。
在操作中，流通穿过涡轮6的水流F将动量M1施加到各个导向叶片120上。随导向叶片120的打开程度变化，该动量M1有助于打开或关闭导向叶片120。更确切地说，存在界线，在该处，动量M1改变方向。当导向叶片120进一步打开至该界线时，动量相反以关闭导向叶片120。导向叶片120在预定位置处的打开程度低于或等于在失控期间动量M1变得高于正常操作期间获得的最大打开转矩所处的界线的打开程度。
伺服马达36包括固定地附接至具体结构4的本体360，以及可沿轴线Z300在本体360内移动的活塞362。活塞262装固到在本体360外向上延伸的活塞杆361。活塞杆361与伺服马达30的本体302整体结合地平移。例如，活塞杆361和本体302可为整体的。伺服马达36包括设置在活塞362的两侧的下室V36a和上室V36b。
伺服马达36由水头(即，由涡轮上游的压力P1与涡轮6下游的压力P2之间的压差∆P)引导。与电子地控制的伺服马达30相反，伺服马达36被机械地引导。因此，伺服马达36不调节流率，以便得到转子14的精确转速。伺服马达36构造成在压差∆P降到低于某一值时(这是在水落差很低时)将导向叶片120进一步打开至预定位置。通常，水落差在洪水时段期间很低，其中涡轮6下游的水位大致等于涡轮6上游的水位。
实际上，下室V36a(其为推力室)供有在取决于压差∆P的压力下的油。为此，未显示的控制器引导油在室V36a中喷射所处的压力。具体而言，当压差∆P减小到低于某一值时，控制器增大下室V36a中喷射的油的压力。室V36a的加压涉及伺服马达30向上移动。因此，如图4上所示，活塞杆301也沿轴线Z300向上移动，且在伺服马达36未促动时和在室V36a加压时在活塞300的最大向上位置之间存在超出行程d1。超出行程d1在实践中对应于活塞杆301相对于具体结构4的最大移位的20%。
在中等或高水落差的情况下，即，例如8m和16m之间，导向叶片120仅由第一伺服马达30引导。实际上，由于水压差∆P足以操作涡轮6，故不需要将导向叶片120进一步打开至预定位置。
然而，在低水落差(例如在4m和8m之间)的情况下，涡轮上游和下游的压差较低，且必须增大流率以便保持最佳产出。为此，导向叶片120借助于伺服马达36进一步打开至预定位置。
如果涡轮6与主电网意外断开，则涡轮6然后可进入"超速"配置，且不可避免停止水的流通。为此，分配器12必须关闭。
在高水落差情况中，导向叶片120的打开程度必定低于预定值，因为伺服马达30具有有限的打开范围，且伺服马达36停用。结果，在"超速"情况中，需要较轻的配重力来关闭分配器12，因为水流F有助于关闭其。此外，其中一个控制系统的故障或偏置措施不可导致将导向叶片120定向在危险区域(在其中难以关闭分配器12)。
在低水落差情况中，导向叶片120进一步打开至预定位置，但由于伺服马达36该超出行程由水头机械地控制。这意味着导向叶片120仅在低压差∆P的情况下进一步移动至预定位置。因此，水流F的动量M1相对较低。即使水流趋于进一步打开导向叶片120，也需要轻的配重力来克服动量M1和关闭分配器12。
伺服马达36的加入允许大大地减小在"超速"情况中施加的配重力。因此，伺服马达30和36不如现有技术的设施中使用的伺服马达强大，因为它们必须形成的用以抗衡配重28的重量的力不太重要。
在未显示的备选实施例中，伺服马达36的下室V36a供有在涡轮6下游获得的水，同时上室V36b排空。实际上，水头的减小通常归因于涡轮下游的水位的提高，这对应于下游压力的增大。这是下游压力的累积用于促动伺服马达36的原因。伺服马达36还包括在室V36a中的压力不超过阈值时抵抗活塞362向上移位的器件。因此，伺服马达36在水头并未降到低于某一值时不会将叶片120进一步打开至预定位置，且危险区域(水流F的动量M1相对于导向叶片120的关闭运动作用)仅在低水落差情况下达到。反抗活塞362的移位的器件设置在室V36b中，且可包括弹簧或任何其它弹性元件。
在另一个未显示的备选实施例中，伺服马达36的下室V36a供有在涡轮6下游获得的水，而上室V36b供有在涡轮6上游获得的水。此外，伺服马达36包括用于推动活塞362的器件，其尺寸确定成推动活塞，以便在压差∆P降到低于某一值时将导向叶片120进一步打开至预定位置。用于推动第二伺服马达36的活塞362的器件可包括弹簧或任何其它弹性元件。
在另一个未显示的备选实施例中，本发明可在转桨式涡轮或螺旋桨类型的涡轮上实施。
在另一个未显示的备选实施例中，涡轮的转子联接到传动轴以用于操作任何机械装置，从而将水能转换成机械能。
上文所述的本发明的不同实施例和备选实施例的技术特征可组合在一起以产生本发明的新实施例。

Claims (16)

1.水力机械(6)，优选水力涡轮，包括：
-转子(14)，其适于在水落差高度下旋转，
-分配器(12)，其带有可调整的导向叶片(120)，以及
-用以打开所述导向叶片的第一电子地引导的伺服马达(30)，
其特征在于：
-所述第一伺服马达(30)不能将所述导向叶片(120)进一步打开至预定位置，且
-所述水力机械(6)包括第二伺服马达(36)，所述第二伺服马达(36)由所述水落差高度机械地引导且适于在低水落差情况下将所述导向叶片进一步打开至所述预定位置。
2.根据权利要求1所述的水力机械(6)，其特征在于，所述第二伺服马达(36)由所述水力机械上游的压力(P1)与所述水力机械下游的压力(P2)之间的压差(∆P)引导。
3.根据权利要求2所述的水力机械(6)，其特征在于，所述第二伺服马达(36)供有在所述水力机械的上游和下游获得的水。
4.根据权利要求2所述的水力机械(6)，其特征在于，所述第二伺服马达(36)利用在取决于所述水力机械上游的压力(P1)与所述水力机械下游的压力(P2)之间的压差(∆P)的压力下的油喷射操作。
5.根据权利要求2至权利要求4中任一项所述的水力机械(6)，其特征在于，所述第二伺服马达(36)构造成在所述水力机械上游的压力(P1)与所述水力机械下游的压力(P2)之间的压差(∆P)降到低于某一值时将所述导向叶片(120)进一步打开至所述预定位置。
6.根据前述权利要求中任一项所述的水力机械(6)，其特征在于，所述第一伺服马达(30)和所述第二伺服马达(36)为液压千斤顶。
7.根据权利要求6所述的水力机械(6)，其特征在于，所述第一伺服马达(30)布置在所述第二伺服马达(36)上方，且所述第一伺服马达(30)包括与所述第二伺服马达(36)的活塞(362)整体结合地平移的活塞本体(302)。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的水力机械(6)，其特征在于，所述第二伺服马达(36)包括供有油的室(V36a)，所述油在取决于所述水力机械上游的压力(P1)与所述水力机械下游的压力(P2)之间的压差(∆P)的压力下。
9.根据权利要求8所述的水力机械(6)，其特征在于，所述水力机械(6)包括控制器，所述控制器适于在所述水力机械上游的压力(P1)与所述水力机械下游的压力(P2)之间的压差(∆P)降到低于某一值时增大在所述第二伺服马达(36)的室(V36a)中喷射的油的压力。
10.根据权利要求6或权利要求7所述的水力机械(6)，其特征在于，所述第二伺服马达(36)包括第一室(V36a)和第二室(V36b)，且所述第一室供有在所述水力机械下游获得的水，而所述第二室供有在所述水力机械上游获得的水。
11.根据权利要求10所述的水力机械(6)，其特征在于，所述第二伺服马达(36)包括用于推动其活塞(362)的器件，其尺寸确定成推动所述活塞(362)，且在所述水力机械上游的压力(P1)与所述水力机械下游的压力(P2)之间的压差(∆P)降到低于某一值时将所述导向叶片(120)进一步打开至所述预定位置。
12.根据权利要求11所述的水力机械(6)，其特征在于，用于推动所述第二伺服马达(36)的活塞(362)的所述器件包括弹簧。
13.根据前述权利要求中任一项所述的水力机械(6)，其特征在于，所述导向叶片(120)在所述预定位置处的打开程度低于或等于在失控期间由水施加到所述导向叶片(120)上的动量(M1)变得高于正常操作期间获得的最大打开转矩所处的位置的打开程度。
14.根据前述权利要求中任一项所述的水力机械(6)，其特征在于，在所述预定位置处，流通穿过所述水力机械的水仍有助于关闭所述导向叶片(120)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的水力机械(6)，其特征在于，所述水力机械(6)包括用于关闭所述导向叶片(120)的配重(28)。
16.用于将水能转换成机械能或电能的设施(2)，其特征在于，所述设施(2)包括根据前述权利要求中任一项所述的水力机械(6)。
CN201580023326.9A 2014-04-29 2015-03-24 水力机械、优选水力涡轮及包括此涡轮的用于转换水能的设施 Expired - Fee Related CN106232983B (zh)

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